Investigan el enigma de la superconductividad de alta temperatura

A poco más de 30 años de que se observó por primera vez el fenómeno de la superconductividad de alta temperatura, aún no se tiene una explicación teórica que la interprete, indicó el físico José Mustre de León, director del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav).

El también investigador del Cinvestav unidad Mérida explicó que —contrario a lo que sucedió con las ondas gravitacionales que recientemente fueron observadas por primera vez—, el fenómeno de superconductividad de alta temperatura se ha observado e incluso actualmente se usa en aplicaciones eléctricas y médicas, pero aún no se ha podido establecer una teoría que explique el fenómeno.

Indicó que él realiza diversas colaboraciones con investigadores de Estados Unidos, Italia y Alemania para tratar de explicar dicho fenómeno natural que podría revolucionar la forma en que se conduce o transporta la energía eléctrica, entre muchas otras aplicaciones.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, el también miembro nivel III del Sistema Nacional de investigadores (SNI), detalló qué es este fenómeno, cuál es su importancia, qué aplicaciones tiene y en qué consisten sus investigaciones.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Cómo definiría el fenómeno de la superconductividad?

José Mustre de León (JML): Es un fenómeno muy interesante que se presenta a muy bajas temperaturas, en donde los materiales empiezan a conducir electricidad sin ninguna pérdida y repelen campos magnéticos de su interior.

Esto es importante porque en la mayoría de los metales, cuando conducen electricidad se pierde un porcentaje importante de la energía asociada a esta, por los choques que sufren los electrones —que son las partículas conductoras de la energía eléctrica— con átomos en la red, que forma la estructura del material, e impurezas.

AIC: ¿Cómo se observó por primera vez este fenómeno físico?

JML: El descubrimiento de la superconductividad de baja temperatura lo hizo el científico holandés Heike Kamerlingh Onnes en 1904, él estaba especializado en enfriar materiales a muy bajas temperaturas. Midiendo la resistencia eléctrica en mercurio encontró que la resistencia eléctrica caía a cero totalmente al bajar la temperatura por debajo de los cuatro grados kelvin o sea menos 269 centígrados.

En esa época no existían las herramientas teóricas para entender el fenómeno. Aunque había algunas ideas de mecánica cuántica, tuvieron que pasar alrededor de 25 años para que hubiera una teoría cuántica bien fundamentada. La cual es esencial para entender el comportamiento de materiales a nivel microscópico.

Aun con esta teoría cuántica bien fundamentada pasaron varios años más, así en 1957 tres investigadores John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer pudieron dar una explicación satisfactoria de este fenómeno.

AIC: ¿Qué materiales son superconductores?

JML: El primero de ellos, en el que se descubrió la superconductividad en 1904, es el mercurio y posteriormente se observó superconductividad en otros metales como el plomo.

Más tarde se observó en algunas aleaciones, tales como el Nb₃Ge (niobio 3-germanio). En estos materiales superconductores de baja temperatura se presenta la superconductividad cuando se enfrían a temperaturas por debajo de los 20 grados kelvin, que sería el equivalente a 253.15 centígrados bajo cero.

La desventaja que tienen estos materiales es que para enfriarse a tan bajas temperaturas necesitan de helio líquido, que es extremadamente caro.

Casi ochenta años después de la observación de superconductividad en mercurio, en 1986 se sintetizó una nueva categoría de materiales superconductores. Estos no existen en forma natural. Se trata de una familia de materiales basados en óxido de cobre y tierras raras.

Estos materiales presentan superconductividad a temperaturas de entre 90 y 135 grados kelvin, que serían aproximadamente 173 y 138 centígrados bajo cero.

Si bien esta sigue siendo una temperatura muy baja, tiene la gran ventaja de que se puede enfriar usando nitrógeno (líquido), lo cual es mucho más barato, ya que el nitrógeno es muy abundante, de hecho alrededor de 79 por ciento de la atmósfera terrestre está compuesta por nitrógeno.

La desventaja para posibles aplicaciones que presentan los materiales basados en óxido de cobre es que no son dúctiles como los metales normales. Esto quiere decir que moldearlos en fibras, por ejemplo para fabricar cables, es muy complicado, además de que son muy frágiles.

Durante 2015 se halló otro material superconductor, se trata del hidruro de azufre, que los químicos lo conocen también como ácido sulfhídrico, y que es conocido popularmente por estar asociado al olor a huevo podrido.

Este material si se somete a presiones muy altas (varios miles de veces la presión atmosférica) muestra superconductividad a 203 grados kelvin, que sería aproximadamente menos 70 centígrados, que si bien es una temperatura baja, en ambientes terrestres extremos como en Siberia, sí se han registrado dichas temperaturas de forma natural.

El gran problema para posibles aplicaciones es que para que este material presente superconductividad es necesario mantenerlo a estas enormes presiones.

AIC: Hasta el momento, ¿qué es lo que se sabe de este “misterioso” fenómeno?

JML: Lo que sabemos por los materiales tradicionales, es decir, los superconductores de baja temperatura, es que es un fenómeno cuántico, por eso se da a bajas temperaturas.

Una de las aproximaciones teóricas señala que, de alguna manera, la interacción que tienen los electrones con los iones que componen el material es tal que a temperaturas muy bajas los electrones, en lugar de repelerse, se atraen y forman pares en los que estos electrones se mueven en forma coordinada a pesar de la posibilidad de chocar contra los iones o impurezas.

Esto es fascinante porque un paradigma de la física, que nos enseñan desde primaria, es que dos cargas del mismo sentido siempre se repelen. Pero en el estado superconductor nos encontramos con lo opuesto, ya que dos electrones se atraen y se mueven en forma correlacionada.

Esto sucede por la naturaleza cuántica de estas interacciones efectivas, que se da a escalas muy pequeñas y temperaturas muy bajas. Sin embargo, en el caso de la superconductividad estos efectos cuánticos se manifiestan en forma macroscópica.

Cabe señalar que el fenómeno de superconductividad a altas temperaturas, como la que se presenta en la familia de óxidos de cobre, aún no ha podido ser explicado y es posible que tenga un origen muy distinto al de la superconductividad de baja temperatura.

AIC: ¿Qué aplicaciones tienen los materiales superconductores?

JML: La superconductividad tiene muchas aplicaciones, una de ellas es la detección de campos magnéticos extremadamente pequeños, por ejemplo en la imagenología médica que tenemos actualmente como la resonancia magnética nuclear. En este caso se requiere de materiales superconductores para poder detectar campos magnéticos muy pequeños.

También se pueden utilizar para la creación de campos magnéticos muy intensos, como los que se utilizan en los aceleradores de partículas, como el LHC (Large Hadron Collider) que se encuentra en Ginebra, Suiza.

Otra aplicación, que todavía no se lleva a cabo de forma masiva pero en la que hay avances, es la construcción de líneas de transmisión eléctrica con materiales superconductores.

Si esto se pudiera hacer, implicaría un ahorro de energía de aproximadamente 30 por ciento de manera instantánea, porque cuando transmitimos energía eléctrica, por ejemplo a través de los cables de alta tensión, se pierde en forma de calor alrededor de 30 por ciento de la energía.

Actualmente esto todavía no se puede hacer a escala masiva porque se necesita que los materiales estén a temperaturas muy bajas y los costos de enfriamiento son muy elevados.

Yo creo que ese es el sueño de los investigadores que trabajamos en este campo: poder encontrar materiales que sean superconductores a temperatura ambiente.

AIC: ¿Qué es lo que ha encontrado con sus investigaciones?

JML: A lo largo de unos 27 años de trabajo que he dedicado al estudio de este fenómeno, he encontrado que en los óxidos de cobre se presenta una interacción muy fuerte entre los electrones y los iones que forman el material, atípica en otros materiales.

Normalmente cuando describimos los materiales, asumimos que podemos tratar por separado el movimiento de los iones y el de los electrones. En buena medida el éxito de la física de estado sólido del siglo XX para describir con gran precisión las propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas de los materiales recaía en esta aproximación.

En forma realmente sorprendente empezamos a ver que hay ciertas manifestaciones en los óxidos de cobre que no son compatibles con esta aproximación, pues hay que describir el movimiento de los iones coordinado con los movimientos de los electrones.

Lo que descubrimos en el grupo con el que trabajo, es que bajo ciertas circunstancias en los superconductores basados en óxidos de cobre esta interacción es tan fuerte que el electrón jalaba los iones y juntos se movían como una entidad coherente, que es lo que se conoce en la física del estado sólido como polarón. Nuestro grupo encontró por primera vez existencia experimental de polarones en superconductores basados en óxidos de cobre en los años 90.

Esto se logró a través de experimentos de absorción de rayos X, una técnica experimental que permite estudiar el orden atómico a nivel local en cualquier material. Sin embargo, para poder realizar estos experimentos es necesario usar radiación de sincrotrón, por lo cual hemos realizado estos experimento en el sincrotrón de la Universidad de Stanford, Estados Unidos, el sincrotrón del Laboratorio Argonne en Illinois, Estados Unidos, y el sincrotrón Soleil en París, Francia.

AIC: ¿Qué es el polarón?

JML: El polarón es una mezcla de los movimientos de los iones junto con el electrón. Los polarones tienen una naturaleza muy distinta a los electrones. Una analogía aproximada sería describir el movimiento de un caballo en un desierto de arena fina. Para un observador lejano, vería una esfera moviéndose en el desierto (esta estaría compuesta por el caballo más una nube de polvo). La descripción de los movimientos del caballo y de las partículas de polvo por separado sería muy compleja y no muy útil. En cambio la descripción del movimiento combinado del caballo más las partículas de polvo, nos dan un modelo mucho más útil de este sistema.

La explicación posible al fenómeno de superconductividad se basa en asumir que las partículas que dan lugar a la transición superconductora son polarones moviéndose en pares y no son los electrones.

Es importante mencionar que aunque hay evidencia clara de la existencia de polarones en los superconductores de alta temperatura, hasta hoy no hay una teoría satisfactoria que explique cómo la superconductividad se puede dar al formarse pares de polarones.

AIC: ¿Por qué es importante entender el fenómeno de la superconductividad?

JML: Por la necesidad que tenemos como seres humanos de entender la naturaleza en que vivimos. Estamos ante un fenómeno que no conocemos. Pero también es importante para poder extender el rango de aplicaciones. Además al entender este fenómeno se le podría predecir y manufacturar materiales que tengan temperaturas superconductoras en el rango de la temperatura ambiente, lo cual cambiaría por completo el rango de aplicaciones.

Con este fenómeno nos pasó lo contrario que con las ondas gravitacionales, ahí había una explicación teórica. La superconductividad de alta temperatura se descubrió experimentalmente en 1986 pero el desarrollo de la teoría se ha complicado y tenemos ya 30 años sin poder explicar el fenómeno. Lo mismo sucedió con la superconductividad de baja temperatura que se descubrió en 1904 y no se pudo explicar hasta 1957.

AIC: ¿Qué papel juega México en el estudio de la superconductividad?

JML: Es reducido, hay muy pocos grupos que trabajan en este campo. Hay un grupo importante en el Instituto de Materiales en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), liderado por el doctor Roberto Escudero.

Otro de los grupos mexicanos que estudian este fenómeno está en el Cinvestav, este grupo está encabezado por los doctores Agustín Conde y Ciro Falcony.

Cabe subrayar que los países que lideran el campo de superconductividad son Alemania, Francia, Japón, Suiza y Estados Unidos.

No obstante lo anterior, los mexicanos hemos tratado de sobresalir con nuestros trabajos, por ejemplo en 2010 tuve una publicación conjunta con Alexander Müller, premio Nobel de Física en 1987. Asimismo tengo colaboraciones con la Universidad de Roma La Sapienza, de Italia, y el Instituto Max Planck de Física del Estado Sólido, en Múnich, Alemania.

Fuente: CONACYT.